“胖5”归来,中国最强火箭成功发射,即将开启中国航天黄金时代

中国最强火箭+最重卫星,长征五号运载火箭时隔两年半复飞圆满成功。

北京时间 12 月 27 日晚上 8 点 46 分,中国运载能力最强火箭长征五号遥三运载火箭在海南文昌发射中心点火发射升空。

火箭升空 2000 多秒后,二级火箭与搭载卫星成功分离,卫星进入预定轨道,火箭发射任务完满成功。中国航天也以一记最重磅发射为 2019 年宇航任务完美收官。

“胖5”归来,中国最强火箭成功发射,即将开启中国航天黄金时代

图 | 火箭点火升空(来源:航天科技集团/宿东)

此次发射的实践二十号卫星是地球同步轨道新技术验证卫星,卫星重量达到 8吨,成为我国最重的一颗卫星。该卫星将实施多项新技术验证工作,并开展地球同步轨道通信广播业务。

作为此次发射任务的关注焦点,长针 5 号火箭是中国推力最大、运载能力最强的运载火箭,近地轨道运载能力达到 25 吨,足以比肩世界范围内最著名的几款重型运载火箭,如 SpaceX 的猎鹰 9、欧洲的阿里安 5 等。

如今中国探月工程、载人航天工程和其他深空探索任务不断推进,急需一枚超强载重能力的运载火箭。

“胖5”归来,中国最强火箭成功发射,即将开启中国航天黄金时代

图 | 长征五号运载火箭垂直转运(来源:航天科技集团/史啸)

2016 年 11 月,长征五号在首次发射任务中获得成功,但在 2017 年 7 月的第二次发射过程中,一级火箭故障直接导致卫星未能进入预定轨道,最终任务失败,这一结果也让长征五号这款年轻火箭的前途蒙上了阴影。

也正因此,此次长征五号复飞,其成败也将直接影响多个重大航天项目的进度,甚至是长征五号火箭本身的命运也与发射结果息息相关。

随着此次发射任务圆满成功,等待已久的探月工程、中国载人空间站,以及中国首次火星探测计划都将有望在 2020 年迎来重大突破。

中国航天史最强火箭

在关键的运载能力、起飞质量、芯级火箭直径等方面,长征五号都是中国航天领域当之无愧的最强火箭。

长征五号运载火箭起飞质量约为 878 吨,采用二级半构型。火箭总长约 57 米,立起来的状态下高度相当于 20 层楼高。

中间的芯级火箭直径达到 5 米,这也是过往中国火箭当中直径最大的一型火箭,被亲切地称为“胖5”。

“胖5”归来,中国最强火箭成功发射,即将开启中国航天黄金时代

图 | 长征五号运载火箭垂直转运(来源:航天科技集团/史啸)

长征五号火箭由中国运载火箭技术研究院抓总研制,个头大、力气大,所以大家都叫它“大火箭”。其实,“长五”火箭也被称为“冰箭”,这缘于“长五”火箭“肚子”里满满的深低温燃料。

由于使用液氢液氧推进剂,其中液氢的温度达 -253℃,液氧的温度可达 -183℃,已经达到了温度的极限。

而这个“庞然大物” 90% 以上的重量都是液氢液氧燃料。看来,“长五”火箭果真是一型名副其实的“冰箭”。

为何要把长五打造成“冰箭”呢?首先是环保,更重要的是运载能力大。

包括长征二号、三号、四号在内采用的多是偏二甲肼和四氧化二氮推进剂,这类火箭因燃烧后会产生剧毒而被戏称为“毒箭”,同时发射成本也并不占优势。过去几十年里,这些“毒箭”一直被使用的原因,就是因为技术难度相对较低,目前这种火箭型号正在被中国和俄罗斯逐渐淘汰和替换。

而在长征五号火箭上,液氢液氧燃烧后产生的是水,无毒无污染。更重要的是,液氢液氧燃烧产生的运载能力堪称巨大。也因此,“长五”火箭被称为“大力士”,捆上助推器后,长征五号火箭的低轨道运载能力达到 23 吨,足以将 10 辆中大型 SUV 送上低地球轨道。

这意味着火箭的运载能力已经可以比肩猎鹰 9、宇宙神 5 号等著名的运载火箭,在数字上已经是中国其他现役火箭最大运载能力的 2.5 倍左右。

强大的运载能力来自于火箭发动机组合。

长征五号一级火箭下面配备 2 台地面推力 50 吨级的 YF-77 氢氧发动机。这是我国目前研制的推力最大的氢氧火箭发动机,与中国此前的氢氧发动机相比,推力提高了近 9 倍,整体水平与国际接轨。

同时芯级火箭四周还捆绑了 4 个直径都为 3.35 米的助推器,每个助推器分别配备 2 台地面推力达到 120 吨级的 YF-100 液氧煤油发动机,共可产生 960 吨的起飞推力。

据了解,120 吨液氧煤油发动机,是目前我国推力最大的火箭发动机。

火箭起飞时,芯级火箭和助推器上的 10 台发动机同时点火,起飞推力达 1060 吨,这也是我国异型发动机起飞技术的重大突破。

十年磨一“箭”

中国航天经过 60 年的发展,在关键的火箭领域,“长征”家族已经逐渐发展成熟,跻身世界一线行列。

而到 21 世纪,世界主要航天强国均推出了新一代运载火箭,如美国的宇宙神 5 、 德尔塔 4 ,欧洲的阿里安 5 等,以及近几年最为风光的 SpaceX 的猎鹰9、重型猎鹰火箭。

这些重型火箭的运载能力远超普通中小型火箭,在重大的航天任务中扮演着不可或缺的角色。

相比之下,中国运载火箭在运载能力等方面与国外同类火箭相比存在一定差距。而随着中国载人航天任务、探月工程以及空间站建设等大型任务逐渐开展,提高火箭运载能力、全面提升运载火箭的技术水平成为关键一环。

2006 年,长征五号运载火箭正式获得国家航天局立项,进入工程研制阶段。作为中国新一代运载火箭中第一个立项研制的火箭型号,是为满足航天发展对大运载能力日益迫切的需求,它以大幅提升中国进入空间的能力为目标,是中国由航天大国向航天强国迈进的重要支撑和显著标志之一。

在正式立项的 10 年后,长征五号作为极具战略意义的一型终于出现在了海南文昌发射场。

2016 年 11 月3日 20 时 43 分,长征五号从中国文昌航天发射场点火升空,约 30 分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,标志着长征五号运载火箭首次发射任务取得成功。

从长征五号对后续航天任务的支持作用看来,3 年前的那次首飞成功的意义不亚于此前任何一次大型火箭成功发射。

当时认为,长征五号成功首飞意味着中国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,中国也将因此从航天大国迈向航天强国。

但后续的发射结果表明,这款关键的火箭并没有以最理想的情况发展,毕竟火箭的可靠性要经过多次发射才能真正被验证。

2017 年 7 月 2 日,长征五号遥二火箭在海南文昌航天发射场实施发射,火箭飞行至 346 秒时突发故障,最终未能将荷载送入预定轨道,任务失败。

后来披露的资料显示,根据分析仿真计算及地面试验结果,长征五号故障原因为芯一级液氢液氧发动机一分机涡轮排气装置在复杂力热环境下,局部结构发生异常,发动机推力瞬时大幅下降,致使发射任务失利。

在各项任务一度高歌猛进的过程中,2017 年的那次发射失败直接导致空间站、探月计划任务时间表不得不向后推迟。

2020年:中国航天黄金时代

把时钟拨回到 3 年前,在长五已经成功首飞的大背景下,除了长五的第二次发射任务被提上日程,登月任务嫦娥五号的采样返回、发射我国的空间站核心舱都给出了乐观的计划:分别在 2017、2018 年进行。

长征五号第二次发射失利,让这两个原本顺利推进的项目再一次被卡在了关键的发射环节。

与此同时,每 26 个月才开启一次的火星探测时间窗口将在明年中到来,在 2020 年这个关键时间点,中国将要进行首个自主火星探测任务。而这同样需要重量级运载火箭——长征五号的参与。

火星计划

中国在火星探索上的首次尝试是在 2011 年,当年中国与俄罗斯、欧洲在火星探索领域开展了国际性合作,中国开发的“萤火一号”火星探测器搭载在俄罗斯的福布斯-土壤探测器当中,计划一同前往火星,进行环绕探测任务。

当时由于时间紧张、资金有限、没有经验等诸多制约因素,中国才选择将“萤火一号”搭载在俄罗斯火箭上发射,避免了一系列的技术问题。

与此同时,由于火星距离地球遥远,当时中国自有的深空测控网无法完成对“萤火一号”的测控,因此在测控方面也与俄罗斯和欧洲航天局合作完成。

但遗憾的是,由于后续俄方的探测器在与火箭分离后未能成功变轨,“萤火一号”和福布斯-土壤探测器最终未能脱离地球轨道,于次年1月在太平洋坠毁。

中国自己的火星探测计划正式启动于 2016 年,而 2020 年的时间窗口将是进行探测任务的绝佳时间点。从位置和距离来看,每隔 26 个月的时间,火星就会有一次距离地球最近的机会,这也就成为了火星探测的时间窗口,时间约为一个月。因此,错过了一个时间窗口就需要再等上两年多的时间。

中国火星探测计划原计划分为“绕”“落”“巡”“回”四个阶段。“萤火一号”来完成“绕”步任务,“萤火二号”来完成“落”步任务。

在“萤火一号”未能成功前往火星的情况下,“萤火二号”就直接承担了“绕”“落”“巡”三个步骤的任务,因此“萤火二号”火星探测器包括了轨道器、着陆器、巡视器三个部分。且在运载器上,中国也将选择国产的火箭——长征五号。

今年 11 月,在位于河北怀来的地外天体着陆综合试验场,中国火星探测任务首次公开亮相,同时现场成功进行了首次火星探测任务着陆器悬停避障试验,该试验模拟了着陆器在火星环境下悬停、避障、缓速下降的过程。这是中国火星探测任务首次公开亮相。

中国火星探测任务计划在 2020 年 7 月发射火星探测器,预计经过 10 个月的飞行,2021 年到达火星,着陆火星表面并进行巡视探测。

火箭直接将探测器发射至地火转移轨道。探测器与运载火箭分离后,经过中途修正,在近火点附近实施制动,实现火星捕获,进入周期约 10 个火星日的环火椭圆轨道,再择机实施轨道机动,进入周期约 2 个火星日的椭圆停泊轨道,完成着陆区预先探测和着陆点调整后,择机释放着陆巡视器。环绕器随即进行轨道调整,进入中继通信轨道。

着陆巡视器与环绕器分离后,进入火星大气,通过气动外形、降落伞、反推发动机等多级减速和着陆腿缓冲,软着陆于火星表面。火星车与承载平台分离,在火星表面开展巡视科学探测。

人类对火星的探测任务起始于 20 世纪 60 年代,截至目前共实施了 44 次活动,其中美国和苏联/俄罗斯进行了绝大多数的探测任务。探测方式主要包括“绕”“落”“巡”三种。但在一次任务中就完成环绕火星飞行、火星软着陆以及火星表面巡视,这在世界航天史上确实是绝无仅有的。

目前,除了中国计划在明年发射火星探测器,美国、欧洲空间局、印度等也都计划利用这一时间窗口进行火星探测任务。

俄罗斯、欧空局各自成功实现火星环绕,但多次尝试着陆都未获成功,目前双方正合作实施火星着陆巡视任务,计划于 2020 年发射。美国则计划在 2020 年向火星发射一辆火星车,目前该火星车正在装配当中。

探月工程

2003 年,中国探月工程(也称嫦娥工程)正式开启,并将其分为“绕”“落”“回”三个阶段。2007 年开始,我国先后发射了嫦娥一号、二号,完成了绕月飞行以及月球硬着陆。对月球进行了全方面的探测。

“胖5”归来,中国最强火箭成功发射,即将开启中国航天黄金时代

图 | 最初探月工程计划2017年发射嫦娥五号

2007 年到 2013 年间,探月计划的一期工程(绕)、二期工程(落)相继完成,前后共有四台月球探测器被送往月球,包括进行月球环绕和着陆、巡视。

嫦娥三号探测器于 2013 年 12 月到达月球,开展了月面巡视勘察,获得了大量工程和科学数据。如今,嫦娥三号着陆器仍在工作,这也让它成为月球表面工作时间最长的人造航天器。

在完成了“绕”“落”之后,下一步就是进行难度更大的“回”,也就是探月计划的三期工程:发射月球自动采样返回器,降落到月球表面后,机械手将采集月球土壤和岩石样品送上返回器,返回器再将月球样品带回地球。

相比此前的探月任务,承担这一任务的嫦娥五号不仅要实现环绕、软着陆,还需要在月球表面自动采样后,从月球表面起飞,与月球轨道上的轨道器对接后再返回地球。而上一次完成如此复杂探月任务的,已经是 40 多年前进行的著名的“阿波罗计划”。

需要承担绕、落、采、回的嫦娥五号包括了轨道器、返回器、上升器和着陆器,让整个嫦娥五号探测器重量达到了 8.2 吨。

将这个 8.2 吨的大块头送上月球,自然也需要一支重量级的火箭。

此前嫦娥五号计划在 2017 年进行,而长征五号第二次任务失败让嫦娥五号只能无奈在地面上继续等待。

目前嫦娥五号计划在 2020 年初正式启动,前往月球并收集表面的岩石、土壤返回地球,若任务顺利,这也将成为 1976 年以来人类又一次将月球样本带回地球。

空间站计划

中国的载人空间站工程正式启动于 2010 年,最终目标是在低地球轨道建设一个常驻的大型空间站。

作为空间站计划的早期阶段,中国分别在 2011 年和 2016 年发射了试验型空间站天宫一号和天宫二号。

与这两者相比,将要正式投入使用、供宇航员常驻的天宫空间站的块头当然更大,它包括“天和”核心舱,“问天”实验舱I和“梦天”实验舱II,采用对称T形构型,空间站本体设计达 60 多吨。

“胖5”归来,中国最强火箭成功发射,即将开启中国航天黄金时代

整个空间站额定乘员 3 人,乘员轮换期间短期可达 6 人,具备 10 多吨载荷设备的安装和支持能力。在轨运行期间,计划由神舟载人飞船提供乘员运输,由天舟货运飞船提供补给支持。

由于“天和”“问天”和“梦天”的单个重量都超过了20吨,因此只有具备了 20 吨以上运载能力的火箭,才有能力将空间站“搬上轨道”;此外空间站在运行期间也需要大运载能力的货运飞船来回运输大量物资。

而在长征五号之前,中国的火箭运载能力只有 10 吨左右。因此“胖5”火箭能否投入使用就直接决定了空间站的建设任务能否顺利推进。

根据目前计划,中国计划在 2021 年发射空间站的“天和”核心舱,承担发射任务的自然是成功复飞的长征五号火箭,而最终将空间站组建完成的时间则在 2021 年至 2023 年之间。

原文始发于:“胖5”归来,中国最强火箭成功发射,即将开启中国航天黄金时代


微信扫码加入本站知识星球下载6000+最新精选行业报告

发表评论